Defect engineering in two-dimensional transition metal carbides (MXenes) for enhanced reactivity: a route towards improved functional properties

Décember 1st 2024 – November 30th 2028

Coordinator Laboratory of the project : Institut Pprime(Institut P’), Poitiers

IMN Coordinator of the project : Thierry BROUSSE PR UNIV (ST2E team)

Partners :
Institut Pprime (Institut P’), Poitiers

Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (IC2MP)

Persons of IMN involved :
Philippe MOREAU (PR UNIV), Olivier CROSNIER (MF UNIV), Camille DOUARD (IE CNRS), Eric GAUTRON (IR CNRS)

Total Financing : 590 879€  with 195899€ for IMN

The aim of the 2Dfects project is to develop ion irradiation (Ir) and ion implantation (Im) as new approaches for the structural and chemical engineering of two-dimensional transition metal carbides layers (MXenes). The goal is to use defects to exacerbate the 2D layers reactivity and deeply modify their functional properties. MXenes are one of the largest family of 2D materials with many potential applications resulting from their very diverse physico-chemical properties. A relevant strategy to tune these properties relies on the controlled modification of MXenes surface functionalization.

The goal of the project is thus to reach new functionalizations as compared to those currently obtained from standard chemical approaches or achieve elemental doping using Ir/Im in order to deeply modify MXene functional properties. Taking advantage of the full control of the beam characteristics used in Ir/Im, this approach offers significant advantages over chemical processes among which doping possibilities with almost all elements and fine tunability of the doping/damage rate.

The impact on the properties will be assessed by focusing on three of the most salient ones for MXenes: their optical, electrical and charge storage properties. When combined, these properties pave the way towards flexible transparent conductive electrodes or supercapacitors, key elements for next generation (opto)electronics.

In order to understand their role on functional properties, the project involves a significant effort on characterizations down to the atomic level, in order to optimize the Ir/Im conditions towards targeted defect configurations. To supplement the experimental approach, the characterization protocol will involve support from ab initio simulations. Defining relevant Ir/Im protocols, understanding the associated structural and chemical modifications of 2D MXene layers at the nanoscale would open a new field in the development of original MXenes with new functional properties.

Defect engineering in two-dimensional transition metal carbides (MXenes) for enhanced reactivity: a route towards improved functional properties

English Version

01 Décembre 2024 – 30 Novembre 2028

Laboratoire coordinateur du projet : Institut Pprime (Institut P’), Poitiers

Coordinateur IMN du projet : Thierry BROUSSE PR UNIV (équipe ST2E)

Partenaires :
Institut Pprime (Institut P’), Poitiers

Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (IC2MP)

Personnels IMN impliqués :
Philippe MOREAU (PR UNIV), Olivier CROSNIER (MF UNIV), Camille DOUARD (IE CNRS), Eric GAUTRON (IR CNRS)

Financement total: 590 879€  dont 195899€ pour l’ IMN

Le but du projet 2Dfects est de développer des méthodes d’irradiation (Ir) et d’implantation ioniques (Im) comme nouvelles approches d’ingénierie structurale et chimique pour des feuillets bidimensionnels de carbures de métaux de transition (les MXènes). Nous cherchons à exacerber leur réactivité et modifier en profondeur leurs propriétés. Les MXènes forment une large famille de systèmes 2D dont l’éventail des propriétés physico-chimiques laisse présager un grand nombre d’applications.

En plus de la chimie des feuillets, une voie de modification en profondeur de leurs propriétés consiste à jouer sur leur fonctionnalisation de surface. Notre objectif est donc d’accéder à de nouvelles fonctionnalisations par rapport aux méthodes chimiques classiques ou de doper les feuillets avec des éléments d’intérêt. L’Ir/Im offre des avantages tels que des possibilités de dopage avec un très grand nombre d’éléments et un contrôle fin du taux de dommage/dopage. L’impact sur les propriétés sera étudié en nous focalisant sur les propriétés optiques, électriques et de stockage de charges des MXènes. Combinées, ces propriétés ouvrent la voie vers les électrodes flexibles conductrices ou supercondensateurs transparents qui sont des éléments clés pour les nouveaux dispositifs électroniques.

Afin de rationaliser le rôle des modifications induites sur les propriétés étudiées, un volet important de caractérisations physicochimiques sera mis en oeuvre, jusqu’à l’échelle atomique pour adapter les conditions d’Ir/Im pour des configurations de défauts ciblées. Les mécanismes d’Ir/Im étant complexes, les caractérisations expérimentales s’appuieront sur des simulations ab initio. La définition de protocoles d’Ir/Im optimisés ainsi que la compréhension des modifications physico-chimiques associées dans les feuillets 2D de MXènes permettraient d’ouvrir un champ de recherche nouveau dans la fonctionnalisation des MXènes. Ces résultats favoriseraient le développer de nouvelles propriétés fonctionnelles associées.

Novel MOFs for Singlet Oxygen Generation Storage and Delivery

2025 – 2029

Coordinator Laboratory of the project : Laboratoire Multimatériaux et Interfaces, Lyon (LMI)

IMN Coordinator of the project : Thomas DEVIC DR CNRS (ST2E team)

Partners :
Very High Field NMR Center of Lyon (CRMN, Lyon)

Chimie et Interdisicplinarité, Synthèse, Analyse et Modélisation (CEISAM, Nantes)

Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP, Nancy)

Persons of IMN involved :
Romain GAUTIER (CR CNRS)

Total Financing : 710 000€  with 214 000€ for IMN

The photodynamic therapy (PDT) relies on the interplay between a photosensitizer (PS), light, and ground state oxygen (3O2), producing highly reactive oxygen species such as the cytotoxic singlet oxygen (1O2) that is used to destroy cancer and microbial pathogens.

Currently PDT faces two key limitations: the control of oxygen supply and limited light penetration inside the tissues.

MOFSONG addresses these limitations by proposing innovative materials capable of decoupling the light irradiation and the 1O2 release steps. The proposed approach involves the design and synthesis of porous Metal Organic Frameworks (MOFs) combining two types of organic linkers: arenes and porphyrins in a single porous structure. Porphyrins are excellent PSs capable of generating 1O2, and arenes are aromatic molecules capable of trapping this 1O2 in their structure

upon endoperoxide (EPO) formation, while porosity favours the concentration and fast diffusion of oxygen species. Thus, MOFs containing EPO can be generated by illumination at the optimum porphyrin excitation wavelength and stored at low temperature until being used to controllably release 1O2 in a desired environment upon heating. The project objectives involve the synthesis of molecular building units, the development of porous materials, comprehensive structural and spectroscopic investigations and the study of 1O2 dynamics. The success of the project is assured through an interdisciplinary consortium of five research partners providing all the necessary expertise and state of the art facilities.

The activity of the ST2E team is based on the synthesis and characterization of materials and on the analysis of the mechanisms that occur in the operation of electrochemical energy storage or transformation devices.

The team is structured in 3 research topics: batteries, supercapacitors, fuel cells & electrolyzers

ST2E brings together 18 permanent researchers and twenty non-permanent with skills in the fields of the physicochemistry of oxides, inorganic and organic chemistry, electrochemistry, modeling and materials science. The main research activities focus on mixed ionic and / or electronic conducting electrode materials and solid ionic conducting electrolytes with the objectives of improving energy performance, reliability, lifetime, security of actual or future devices. Expanding the operating temperature range, changing existing materials, designing new materials and controlling all interfaces are some examples. Recycling and eco-design aspects are also treated.

Our research has given rise over the last 5 years to:

• 234 Publications with Reading Committees (3800 Quotes)

• 13 patents

• 124 International invited communications

• 24 international conference organizations

Novel MOFs for Singlet Oxygen Generation Storage and Delivery
English version

2025 – 2029

Laboratoire coordinateur du projet : Laboratoire Multimatériaux et Interfaces, Lyon (LMI)

Coordinateur IMN du projet : Thomas DEVIC DR CNRS (équipe ST2E)

Partenaires :
Very High Field NMR Center of Lyon (CRMN, Lyon)

Chimie et Interdisicplinarité, Synthèse, Analyse et Modélisation (CEISAM, Nantes)

Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP, Nancy)

Personnels IMN impliqués :
Romain GAUTIER (CR CNRS)

Financement total: 710 000€  dont 214 000€ pour l’ IMN

La thérapie photodynamique (PDT) repose sur l'interaction entre un photosensibilisateur (PS), la lumière et l'oxygène à l'état fondamental (3O2). Ils produisent des espèces d'oxygène hautement réactives telles que l'oxygène singulet (1O2) cytotoxique qui est utilisé contre le cancer et les agents pathogènes microbiens. Actuellement, la PDT est confrontée à deux limitations majeures :

• le contrôle de l'apport en oxygène
• la pénétration limitée de la lumière à l'intérieur des tissus
  

MOFSONG s'attaque à ces deux challenges en proposant des matériaux innovants capables de découpler les étapes d'irradiation lumineuse et de libération de l’oxygène singulet.

L'approche proposée implique la conception et la synthèse de Metal Organic Frameworks (MOFs) poreux combinant deux types de ligands organiques : les arènes et les porphyrines dans une structure unique.

Les porphyrines sont d'excellents photosensibilisateurs capables de générer du 1O2 alors que les arènes sont des molécules aromatiques capables de piéger ce 1O2 dans leur structure grâce à la formation réversible d'endoperoxyde (EPO). Ainsi, les MOFs contenant de l'EPO peuvent être générés par illumination à la longueur d'onde optimale d'excitation de la porphyrine et stockés à basse température jusqu'à ce qu'ils soient utilisés pour libérer de manière contrôlée l’oxygène singulet dans l’environnement désiré par chauffage. Les objectifs du projet comprennent la synthèse des briques moléculaires, le développement de matériaux poreux, des études structurales et spectroscopiques complètes et l'étude de la dynamique de génération, stockage et libération de 1O2. Le succès du projet est assuré par un consortium interdisciplinaire de cinq partenaires qui apportent au projet toute l'expertise nécessaire et des équipements de pointe.